Bouw een Ultrasonische Zweefapparaat met Arduino – Stap-voor-stap Handleiding

Onderdelen en benodigdheden

Benodigde tools en machines

• Soldeerdraad, loodvrij
• Soldeerbout (generiek)
• 10-stuks Jumper Wire Kit, 5 cm lang

Apps en online diensten

• Arduino IDE

Over dit project

Het is heel interessant om iets in de lucht of vrije ruimte te zien zweven, alsof het een alien-ruimteschip is. Dat is precies waar een anti-gravitatieproject over gaat. Het object (basisweg een klein stukje papier of thermocol) wordt geplaatst tussen twee ultrasoon-tranducers die akoestische geluidsgolven genereren. Het object zweeft in de lucht door deze golven die lijken op anti-gravitatie.

In deze tutorial bespreken we de ultrasonische levitatie en bouwen we een levitatie-machine met Arduino.

Stap 1: Hoe is dit mogelijk?

Om te begrijpen hoe akoestische levitatie werkt, moet je eerst wat weten over zwaartekracht, lucht en geluid.

Eerst is zwaartekracht een kracht die ervoor zorgt dat objecten elkaar aantrekken. Een enorm object, zoals de Aarde, trekt objecten die er dichtbij zijn makkelijk aan, zoals appels die aan bomen hangen. Wetenschappers hebben nog niet precies vastgesteld wat deze aantrekking veroorzaakt, maar ze geloven dat het overal in het universum bestaat.

Tweedens is lucht een vloeistof die zich in essentie hetzelfde gedraagt als vloeistoffen. Net als vloeistoffen bestaat lucht uit microscopische deeltjes die ten opzichte van elkaar bewegen. Lucht beweegt ook als water – inderdaad, sommige aerodynamische tests vinden onder water plaats in plaats van in de lucht. De deeltjes in gassen, zoals die die de lucht vormen, zijn gewoon verder uit elkaar en bewegen sneller dan de deeltjes in vloeistoffen.

Derden is geluid een trilling die zich door een medium voortplant, zoals een gas, een vloeistof of een vast object. Als je een bel aanslaat, trilt de bel in de luft. Als de ene kant van de bel naar buiten beweegt, duwt het de luchtmoleculen ernaast, wat de druk in dat gebied verhoogt. Dit gebied van hogere druk heet een compressie. Als de kant van de bel terug beweegt, trekt het de moleculen uit elkaar, wat een gebied met lagere druk creëert, een rarefactie. Zonder deze beweging van moleculen kon geluid niet reizen, daarom is er geen geluid in een vacuum.

Akoestische levitator

Een basale akoestische levitator heeft twee hoofddelen – een tranducer, een trillend oppervlak dat het geluid maakt, en een reflector. Vaak hebben de tranducer en reflector holle oppervlakken om het geluid te focussen. Een geluidsgolf reist van de tranducer af en kaatst van de reflector. Drie basiseigenschappen van deze reiserende, reflectorende golf helpen om objecten in de lucht op te hangen.

Wanneer een geluidsgolf van een oppervlak reflecteert, verursacht de interactie tussen zijn compressies en rarefacties interferentie. Compressies die andere compressies treffen versterken elkaar, en compressies die rarefacties treffen heffen elkaar op. Soms kunnen reflectie en interferentie samen een staande golf creëren. Staande golven lijken heen en weer te schuiven of in segmenten te trillen in plaats van van plek naar plek te reizen. Deze illusie van stilstand geeft staande golven hun naam. Staande geluidgolven hebben gedefinieerde knoten, of gebieden van minimale druk, en antiknoten, of gebieden van maximale druk. De knopen van een staande golf zijn de reden van akoestische levitatie.

Door een reflector op de juiste afstand van een tranducer te plaatsen, creëert de akoestische levitator een staande golf. Wanneer de oriëntatie van de golf parallel is aan de trek van de zwaartekracht, hebben delen van de staande golf een constante neerwaartse druk en andere een constante opwaartse druk. De knopen hebben zeer weinig druk.

Dus kunnen we kleine objecten daar plaatsen en laten zweven.

Stap 2: Benodigde componenten

• Arduino Uno / Arduino Nano ATMEGA328P
• Ultrasonische Module HC-SR04
• L298 H-Bridge Module
• Universele printplaat
• 7,4V batterij of voeding
• Verbinden draden

Stap 3: Schakelschema

Het werkingsprincipe van het schema is heel simpel. Het hoofdbestanddeel van dit project is een Arduino, L298 motordriver IC, en ultrasoon-tranducer verzameld van de ultrasoon-sensormodule HC-SR04. Over het algemeen stuurt de ultrasoon-sensor een akoestische golf van een frequentiesignaal tussen 25kHz tot 50kHz uit, en in dit project gebruiken we de HC-SR04 ultrasoon-tranducer. Deze ultrasoon-golven creëren staande golven met knopen en antiknoten.

Deze ultrasoon-tranducer's werkwervingsfrequentie is 40 kHz. Het doel van het gebruik van Arduino en deze kleine stukje code is om een 40kHz hoogfrequentie oscillatiesignaal te genereren voor mijn ultrasoon-sensor of tranducer. Deze puls wordt toegepast op de ingang van de dubbele motordriver IC L293D (van Arduino A0 & A1 pinnen) om de ultrasoon-tranducer aan te sturen. Uiteindelijk passen we dit hoogfrequente 40kHz oscillatiesignaal samen met de aanstuurspanning (typisch 7,4V) via de driver IC toe op de ultrasoon-tranducer. Als resultaat produceert de ultrasoon-tranducer akoestische geluidsgolven. We plaatsen twee tranducers vis-à-vis in tegenovergestelde richting zodat er ruimte tussen zit. Akoestische geluidsgolven reizen tussen de twee tranducers en laten het object zweven. Bekijk de video voor meer informatie, alles wordt daar uitgelegd.

Stap 4: De tranducer maken

Eerst moeten we de zender en ontvanger van de ultrasoon-module lossolderen. Ook de beschermhoes verwijderen en dan lange draden aan solderen. Plaats dan de zender en ontvanger bovenop elkaar. Onthoud, de positionering van de ultrasoon-tranducers is erg belangrijk. Ze moeten elkaar in tegenovergestelde richting aanschouwen, wat heel belangrijk is, en ze moeten op dezelfde lijn liggen zodat ultrasoon-golven kunnen reizen en elkaar in tegenovergestelde richtingen kunnen snijden. Hiervoor gebruikte ik schuimplaat, moeren en bouten.

Bekijk de bouwvideo voor beter begrip

Stap 5: Programmeren

De code is heel simpel, slechts een paar regels. Met behulp van deze kleine code en de hulp van een timer en interrupt-functies, maken we hoog of laag (0/1) en genereren we een oscillerend signaal van 40kHz op de Arduino A0 en A1 uitgangspinnen.

Download Arduino-code hier: Gist

Stap 6: Aansluitingen

Sluit alles aan volgens het schakelschema. Onthoud om beide grounds samen te verbinden.

Stap 7: Belangrijke dingen en verbeteringen

De plaatsing van de tranducer is heel belangrijk, probeer die in de juiste positie te plaatsen.

We kunnen alleen kleine, lichte objecten als thermocol en papier optillen.

Moet minimaal 2 ampère stroom leveren.

Later probeerde ik grotere objecten te laten zweven. Eerst verhoogde ik het aantal zenders en ontvangers, dat werkte niet. Daarna probeerde ik met hogere spanning, dat lukte ook niet.

Verbeteringen: Later begreep ik dat ik mislukte door de rangschikking van de tranducers. Als we meerdere zenders gebruiken, moeten we ze in een gebogen structuur uitlijnen.

Stap 8: Dank je wel

Eventuele vragen? Laat een reactie achter!

Code

Gist

https://gist.github.com/EDISON-SCIENCE-CORNER/3ebb7020d0dacbbae949afb8f29bfcc3

Schema's